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La production de substances polymériques dé extracellulaires par culture pure et mixte utilisant les boues d'épuration comme matières premières et applications dans le traitement.

More, Tanaji (2014). La production de substances polymériques dé extracellulaires par culture pure et mixte utilisant les boues d'épuration comme matières premières et applications dans le traitement. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 292 p.

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Résumé

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Les substances polymériques extracellulaires (SPE) sont des biopolymères produits par les micro-organismes, ils sont considérés comme des alternatives durables, non toxiques et moins chères, peuvent remplacer les floculants chimiques grâce à leurs applications dans les différents processus de traitement des eaux usées et de traitement des boues. La production des SPE peur être très efficace en utilisant les boues municipales comme source de carbone et une voie prometteuse pour la gestion durable des déchets. Dans ce contexte, la caractérisation biochimique de 13 SPE produites par des souches bactériennes a été réalisée par le test BIOLOG. Les souches bactériennes ont été cultivées dans des boues stérilisées pour la production des SPE. La floculation et la capacité de déshydratation des SPE produites (bouillon, les SPE solubles et capsulaires brutes) ont été testées en utilisant la solution de kaolin combinée avec du calcium (150 mg de Ca2+/L de suspension de kaolin). Le test BIOLOG a révélé qu’il y avait 9 Bacillus, 2 Serratia et 2 Yersinia. En effet, les concentrations des SPE produites par différentes souches de Bacillus étaiest plus élevées que celles de Serratia et Yersinia. Le Bouillon des EPS a montré une activité de floculation plus de 75% pour Bacillus sp.7, Bacillus sp.4 et Bacillus sp.6, respectivement. Des activités de floculation supérieure à 75% ont été atteintes en utilisant de très faibles concentrations de bouillon des SPE de 1,12 à 2,70 mg SPE /g SS. La cinétique de fermentation discontinue de treize souches bactériennes (9 Bacillus, 2 Serratia et 2 Yersinia) a été étudiée utilisant des boues stérilisées comme une matière première. De ce fait, la plupart des souches comme Bacillus (μmax/h: de 0,11 à 0,27), Serratia (μmax/h: 0,23 à 0,27) et Yersinia (μmax/h: 0,18 à 0,19) ont la capacité de croître et produire des SPE (1.4 à 2.1 g/L) dans les boues stérilisées. En général, la production des SPE est liée à la croissance bactérienne. En outre, les souches Bacillus sp. 7, Serratia sp. 2 et Yersinia sp. 2 produisent des concentrations des SPE plus élevées (1,9-2,1 g/L) que celles des autres souches bactériennes. Les teneurs en protéines et glucides contenues en SPE demeurent constantes au cours de la fermentation. En effet, le Bouillon SPE présente une forte activité de floculation de kaolin (≥ 75%) dans la plupart des cas, à l'exception de Bacillus sp. 1, Bacillus sp. 5 et Bacillus sp. 9, respectivement. En général, les plus importantes activités de floculation (≥ 75%), ont été atteintes en utilisant 1,31 à 1,70 mg B-SPE/g de kaolin, de 0,45 à 0,97 mg protéine/g de kaolin et de 0,11 à 0,21 mg des glucides/g de kaolin. Afin d'optimiser les concentrations de solides en suspension de boues et le prétraitement requis pour une meilleure production des SPE, une stérilisation, un traitement alcalin thermique et un traitement thermique et acide ont été appliqués à différents concentrations de solides en suspension de boues (17,0; 22,4; 29,8; 37,3; 44,8 g/L, respectivement). Des boues prétraitées ont été utilisées comme matière première pour la production des SPE par Serratia SP.1. Après 72 h de fermentation, La concentration de SPE produite est de 2,3 et 3,4 g/L en cas de traitement thermique et alcalin. Par contre, elle était 1,5 g/L dans les boues traitées thermiquement à pH acide. Des concentrations inférieures des SPE ont été produites à des concentrations relativement élevées de solides en suspension (37,3; 44,8 g/L). Le Bouillon, les SPE capsulaires brutes et slime SPE ont été extraits et utilisés comme agents de conditionnement en combinant 150 mg de Ca2+/L de suspensions de kaolin. L’activité de floculation maximale est de 79,1% et une capacité déshydratation de 52,2% ont été obtenues utilisant le bouillon et les SPE EPS capsulaires brutes, respectivement. Treize souches bactériennes produisant des EPS (9 Bacillus, 2 Serratia et 2 Yersinia) ont été cultivées (comme culture mixte) dans la boue stérilisée (matières en suspension: 25 g/L). Une Optimisation de la vitesse d'agitation et la cinétique de production de SPE en fermentation discontinue par la culture mixte a été effectuée. La culture mixte produit des concentrations plus élevées de SPE (4,9 g/L) par rapport à celle de la culture pure (2.7-3.7 g/L). La vitesse d'agitation optimale était de 150 tours par minute avec la production de SPE de 4,9 g/L à 72 h. La production de SPE a été liée à la croissance bactérienne. Le Bouillon (B-SPE) a révélé une haute activité de floculation en kaolin (91,2%) à des concentrations très faibles (0,8 mg B-SPE/g kaolin) et elle était comparable à celle du polymère chimique, Magnafloc-155 (90,4% à 0,2 mg/g de kaolin). Le B-SPE a montré une AF de kaolin supérieure lorsqu'il est combiné avec des cations divalents (Ca2+ et Mg2+) en comparaison avec les cations trivalents (Fe3+ et Al3+). Avec l'ajout de cations trivalents (Fe3+ et Al3+), les performances de floculation (turbidité et DCO) de B-SPE dans la rivière (90%), les eaux usées municipales (80,7%) et la brasserie des eaux usées (80-84%) était meilleures que le Ca2+ et Mg2+. La présente étude a montré que les treize souches bactériennes (9 Bacillus, 2 Serratia et 2 Yersinia) ont la capacité de produire des SPE utilisant les boues stérilisées comme matière première. Les souches de Bacillus produisent une concentration de SPE plus forte que celle produite par Serratia et Yersinia. Ainsi, La production de SPE n’a pas été totalement liée à la croissance bactérienne pour toutes les souches étudiées lorsqu’ elles sont incubées indépendamment dans la boue stérilisée alors que, elle a été associée à la croissance dans le cas de la culture mixte. La culture mixte a produit des concentrations de SPE plus élevées en comparaison aux cultures pures. En fait, le consortium de culture mixte peut être utilisé pour la production de flocculants avec un haut rendement. L’activité de floculation était comparable à Magnafloc-155 (polymère chimique) et, par conséquent, il pourrait être utilisé comme floculant dans les applications de contrôle de la pollution environnementale. Les résultats sont très encourageants et justifient la poursuite de la recherche sur l'optimisation de processus dans des fermenteurs de laboratoire avec un contrôle du pH, de la température et la concentration en oxygène dissous, etc.

Abstract

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Extracellular polymeric substances (EPS) are biopolymers produced by the microorganisms, they are considered as an eco-friendly, cost effective and sustainable alternatives to substitute the existing chemical flocculants for their applications in various water, wastewater and sludge treatment processes. Highly efficient EPS production using municipal wastewater sludge could be a promising avenue for the sustainable waste management. In this context, the biochemical characterization of 13 extracellular polymeric substances (EPS) producing bacterial strains was carried out by BIOLOG. The bacterial strains were cultured in sterilized sludge for EPS production. Flocculation and dewatering capabilities of produced EPS (broth, crude slime and capsular) were examined using kaolin suspension combined with calcium (150 mg of Ca2+/L of kaolin suspension). BIOLOG revealed that there were 9 Bacillus, 2 Serratia and 2 Yersinia species. Concentration of EPS produced by different Bacillus strains was higher than that of Serratia and Yersinia. Broth EPS revealed flocculation activity more than 75% for Bacillus sp.7, Bacillus sp.4 and Bacillus sp.6, respectively. Flocculation activity higher than 75% was attained using very low concentrations of broth EPS (1.12-2.70 mg EPS/g SS). The kinetics of batch fermentation of thirteen bacterial strains (9 Bacillus, 2 Serratia and 2 Yersinia) was carried out using sterilized sludge as raw material. The most of Bacillus (μmax/h: 0.11-0.27), Serratia (μmax/h: 0.23-0.27) and Yersinia (μmax/h: 0.18-0.19) strains had capability to grow and produce EPS (1.4-2.1 g/L) in sterilized sludge. In general, EPS production was mixed growth associated. Bacillus sp. 7, Serratia sp. 2 and Yersinia sp. 2 produced higher concentration (1.9-2.1 g/L) of EPS than the rest bacterial strains. Protein and carbohydrate contents of EPS remained constant during fermentation. Broth EPS exhibited high kaolin flocculation activity (≥ 75%) in most of the cases except Bacillus sp. 1, Bacillus sp. 5 and Bacillus sp. 9, respectively. In general, high flocculation activities (≥ 75%), were attained using 1.31-1.70 mg B-EPS/g kaolin, 0.45-0.97 mg protein/g kaolin and 0.11-0.21 mg carbohydrates/g kaolin. To optimize the suspended sludge solids concentration and pre-treatment required for maximum EPS production, the sterilization, alkaline-thermal and acid-thermal treatments were applied to different sludge solids concentrations (17.0; 22.4; 29.8; 37.3; 44.8 g/L, respectively). The pre-treated sludge was used as raw material for Serratia sp.1 to produce EPS. After 72 h of fermentation, total EPS of 2.3 and 3.4 g/L were produced in sterilized and alkaline-thermal treated sludge as compared to that of 1.5 g/L in acid-thermal treated sludge. Lower EPS were produced at relatively higher solids concentrations (37.3; 44.8 g/L). Broth, crude forms of capsular and slime EPS were extracted from fermented broths and used as conditioning agents by combining with 150 mg of Ca2+/L of kaolin suspensions. Maximum flocculation activity of 79.1% and increased dewatering by 52.2% was achieved using broth and crude capsular EPS, respectively. Thirteen EPS producing bacterial strains (9 Bacillus, 2 Serratia and 2 Yersinia sp.) were cultivated (as mixed culture) in sterilized sludge (suspended solids: 25 g/L). Optimization of the agitation speed and EPS production kinetics in batch fermentation for the mixed culture was carried out. The mixed culture produced higher concentrations of EPS (4.9 g/L) as compared to that of the pure culture (2.7-3.7 g/L). The optimum agitation speed was 150 rpm with the production of 4.9 g/L EPS at 72 h. The EPS production was growth associated. Broth (B-EPS) revealed high kaolin flocculating activity (91.2%) at very low concentrations (0.8 mg B-EPS/g kaolin) and it was comparable to the chemical polymer, Magnafloc-155 (90.4% at 0.2 mg/g kaolin). Broth EPS revealed higher kaolin FA when combined with divalent cations (Ca2+ and Mg2+) as compared to the trivalent cations (Fe3+ and Al3+). With the addition of trivalent cations (Fe3+ and Al3+), flocculation performance (turbidity and COD removal) of B-EPS in river water (90%), municipal wastewater (80.7%) and brewery wastewater (80-84%) was better than the Ca2+ and Mg2+. The study revealed that all the thirteen bacterial strains (9 Bacillus, 2 Serratia and 2 Yersinia species) have capability to produce EPS using sterilized sludge as sole raw material. Bacillus strains produced higher concentration of EPS than Serratia and Yersinia. EPS production was mixed growth associated for all the bacterial strains when incubated independently in the sterilized sludge whereas, it was growth associated in case of the mixed culture. The mixed culture had produced higher concentrations EPS as compared to the pure cultures using sterilized sludge as a raw material. The mixed culture consortium could be used for the production of highly efficient flocculants. The flocculation performance of EPS was comparable to Magnafloc-155 (chemical polymer) and hence, it could be used as a flocculant in environmental pollutions control applications. The results are very encouraging and warrant further research on process optimization in laboratory fermenters under controlled conditions of pH, temperature and dissolved oxygen concentration etc.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: substances polymériques extracellulaires; boues d'épuration; activité de floculation; déshydratation du kaolin; production; culture
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 17 mars 2015 20:24
Dernière modification: 25 nov. 2015 13:55
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2615

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